CN105910780B - 一种精确可控非接触试件旋转式磁场疲劳激振与测振装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种精确可控非接触试件旋转式磁场疲劳激振与测振装置，包括减振绝缘夹具、减振器、动平衡装置、激振器、电磁压电耦合测振传感器、试验台、传动装置和精确调控装置。这种激振与测振装置适用于旋转类试件，特别是风电叶片，发动机、涡轮机叶片，直升机旋翼、尾桨等叶片类的振动特性研究；这种装置可以分别地且非常逼真地模拟旋转类试件在360°全方位、相同转速不同激振力、相同激振力不同转速、不同转速不同激振力条件下的振动疲劳状态；而且通过所提供的振动测试装置，可以时刻地监测试件的激振力、振动位移、振动速度、振动加速度等相关的振动特性参数。此外，本发明也适用于静止类试件的振动疲劳特性分析。

Description

一种精确可控非接触试件旋转式磁场疲劳激振与测振装置

技术领域

本发明涉及一种疲劳激振与测振装置，具体涉及一种精确可控非接触试件旋转式磁场疲劳激振与测振装置。本发明特别适合作为叶片类、旋翼尾桨类的试验激振与测振装置。

背景技术

在机械领域中，振动疲劳现象普遍存在。振动疲劳对机械部件的危害非常大，轻则会缩短部件的使用寿命；重则会直接破坏部件，导致部件无法使用；甚至会危及人身安全。因此，研究机械部件的振动疲劳问题，非常有必要，其应用价值巨大。要研究机械领域的振动疲劳问题，就离不开机械激振装置。机械领域的激振装置功能非常多，这类激振装置可以对机械零部件、机械设备等机械装置进行振动试验分析、疲劳试验分析、试件的材料特性分析、试件的寿命预估分析等一系列机械特性分析。

目前，机械领域的激振装置类型很多，按振源与试件的接触关系来分，其包含“接触式”和“非接触式”两种。其中接触式的振源结构类型比较多，具体有：电液式、气动式、液压式等结构；而非接触式的振源结构主要是：电磁式结构。

目前的接触式疲劳激振装置，其结构较为简单，制作成本较低，能够提供较为稳定的激振力。但是，由于接触式疲劳激振装置的激振力是由机械结构提供的，对试件提供的激振力大小与频率有限，这就使试件的可调激振频宽与振幅较小，从而使试件的某些机械特性的研究受到限制。此外，由于激振结构是接触式的，试件与振源有直接的接触，这样就会改变试件的结构，会影响试验结果的准确性，对试验产生附加的影响。

目前的非接触式疲劳激振装置，其振源由电磁铁提供，激振力由电磁力提供，控制方便。可以较便捷地调节激振力的大小与频率，试件的可调激振频宽范围很大，有利于更加全面地研究试件的机械特性。此外，由于激振结构是非接触的，试件与振源没有直接接触，这样就保证了试件结构的完整性，使试验的结果更加的准确。

但是，目前的非接触式疲劳激振装置，其激振对象绝大部分是固定试件；而适用于旋转类试件的疲劳激振装置却很少。特别地，用于研究风电叶片，发动机、涡轮机叶片，直升机旋翼、尾桨等在旋转状态时的疲劳激振装置就更少。此外，对旋转类试件采用有线传感器测振将增加试验装置的复杂性，其疲劳振动测试是振动测试领域的难点，目前用于测试旋转类试件的振动特性装置很少。

发明内容

本发明的目的是解决上述的技术问题，提供一种精确可控非接触试件旋转式磁场疲劳激振与测振装置，主要适用于旋转类试件，特别适用于旋转叶片类(风电叶片，发动机、涡轮机叶片，直升机旋翼、尾桨等)的振动特性研究，同时也适用于静止类试件的振动疲劳特性研究。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种精确可控非接触试件旋转式磁场疲劳激振与测振装置，包括减振绝缘夹具、减振器、动平衡装置、激振器、电磁压电耦合测振传感器、试验台、传动装置和精确调控装置。

所述试验台的台面上安装电磁铁支撑架。所述电磁铁支撑架上设置有激振器夹紧平台和电磁压电耦合测振传感器夹紧平台。

所述激振器为一个具有空心的圆柱型铁芯的电磁铁。所述电磁压电耦合测振传感器包括弹性薄钢片、压电陶瓷片、压电处理器、压缩弹簧Ⅱ和压力传感器。所述压电陶瓷片粘接在弹性薄钢片的下表面。所述压电处理器连接在压电陶瓷片的下表面。所述弹性薄钢片、压电陶瓷片和压电处理器各自的中心都具有竖向贯穿的通孔。

所述激振器装夹在电磁铁夹具上。所述电磁铁夹具上的电磁铁夹具孔内放置压缩弹簧Ⅱ，在压缩弹簧Ⅱ表面镀有一层非磁性材料，去掉由于磁场对压缩弹簧Ⅱ产生磁力作用而使压电传感器测得的相关力学数值不精确的影响。法兰螺栓Ⅳ先穿套环形的压力传感器，再依次穿过压缩弹簧Ⅱ、电磁铁夹具孔和激振器夹紧平台的螺栓孔，最后法兰螺栓Ⅳ的螺纹轴段固接在激振器夹紧平台螺栓孔内。所述压缩弹簧Ⅱ通过预压力处于微压状态，下端与阶梯孔Ⅰ台阶面始终接触，上端与压力传感器也始终接触。所述的电磁铁夹具不与激振器的夹紧平台固接，电磁铁和压缩弹簧Ⅱ可以在法兰螺栓Ⅳ的光滑轴段轴向运动。

所述弹性薄钢片位于激振器的下方。所述弹性薄钢片通过螺栓固定在电磁压电耦合测振传感器夹紧平台上。所述激振器、弹性薄钢片、压电陶瓷片和压电处理器各自中心的通孔的轴线位于同一直线上，供传动装置的输出轴自下而上地从激振器的上端穿出。

所述输出轴的上端连接自锁丝杆。所述自锁丝杆的上端安装减振器。所述减振器上安装减振绝缘夹具。所述减振绝缘夹具上具有一个圆柱状的夹具接头。所述夹具接头上具有一段用于连接减振器的螺纹。

所述减振器包括上弹性钢圈、下弹性钢圈、钢圈连接器、丝杆接头和减振弹簧Ⅰ。

所述丝杆接头呈圆柱状，它的轴线上开有一个与自锁丝杆配合的螺纹孔。所述丝杆接头的周向侧面上具有四个凸起的圆台。这四个圆台在正交方向上两两相对布置。每个圆台的轴线上开有一个螺纹孔，该螺纹孔径向贯穿丝杆接头的侧壁。

所述上弹性钢圈开有四个径向贯穿的螺纹孔，这四个螺纹孔在正交方向上两两相对。所述下弹性钢圈开有若干轴向贯穿的阶梯孔，它的侧壁上还开有两个与夹具接头相配合且对称布置的螺纹连接孔。所述钢圈连接器由底板和耳座板组成。所述耳座板竖向连接在底板上，其中耳座板上开有横向贯穿的通孔，底板上开有两个竖向贯穿的通孔。

所述丝杆接头位于上弹性钢圈的内腔中，其上的四个圆台与上弹性钢圈上的四个螺纹孔一一对应。所述上弹性钢圈的外侧连接四个钢圈连接器。法兰螺栓Ⅰ依次穿过钢圈连接器的耳座板上的通孔、上弹性钢圈的螺纹孔和圆台轴线上的螺纹孔，将它们固连在一起。

所述下弹性钢圈通过钢圈连接器连接在上弹性钢圈的下方。所述下弹性钢圈的阶梯孔内放置减振弹簧Ⅰ。法兰螺栓Ⅱ依次穿过钢圈连接器的底板上的通孔、减振弹簧Ⅰ和下弹性钢圈上的阶梯孔，将它们固连在一起。所述减振弹簧Ⅰ的下端与阶梯孔的台阶面接触，上端与钢圈连接器的(底板)下表面接触。

两个减振绝缘夹具对称安装在下弹性钢圈的两侧。其中一个减振绝缘夹具上装夹试件，另一个减振绝缘夹具上装夹动平衡装置。

所述精确调控装置通过计算机的分析和处理，用于调节试件与激振器的距离、输出轴的转速和激振器的电流。

进一步，所述减振绝缘夹具包括下绝缘夹板、上绝缘夹板和减振弹簧Ⅲ。所述夹具接头连接下绝缘夹板的侧面。所述减振弹簧Ⅲ放置在试件的螺栓孔内。螺栓依次穿过上绝缘夹板、减振弹簧Ⅲ、试件和下绝缘夹板，将试件装夹在上、下绝缘板之间。

进一步，所述传动装置还包括从动齿轮、主动齿轮、从动轴、主动轴、联轴器和无级调速交流电机。所述无级调速交流电机的输出端通过联轴器与主动轴连接。所述主动轴上安装主动齿轮。所述从动轴上安装从动齿轮。所述从动齿轮与主动齿轮相啮合。所述从动轴与输出轴相连。

进一步，所述动平衡装置包括非磁性材料的平衡件(若是磁性材料可在外围镀薄层非磁性材料)，这个平衡件与试件关于输出轴的轴线对称。所述平衡件的材料、大小、形状、夹紧方式均与试件保持一致。

进一步，所述激振器的铁芯的外径大于试件的长度，内径大于输出轴的直径。

需要说明的是，本发明的精确调控装置分为距离精确调控、转速精确调控、激振力精确调控三个模块。距离精确调控是调节自锁丝杆、丝杆接头使用时的相对位置，从而精确地调节试件与振源的距离，进而间接地改变试件受到的激振力大小。转速精确调控主要是通过计算机调节调速交流电机的转速，然后通过联轴器、齿轮的传动反映到试件的转速上。激振力精确调控主要运用计算机和电流控制器，通过调控电磁铁的线圈电流的大小和方向，来直接精确地控制试件所受的激振力大小与方向。

本发明具有如下优点：

1、本发明的适用对象范围广。不仅适用于旋转类试件，特别是叶片类(风电叶片、发动机叶片、涡轮机叶片、直升机旋翼、尾桨等)；同时，也适用于静止类试件。此外，试件材料既可以是磁性材料，也可以是非磁性材料；对于非磁性材料，只需在试件表面镀一薄层的磁性材料即可，因为本发明所涉及的是试件的振动疲劳试验，目的是研究试件在振动和发生疲劳失效过程中的振动疲劳特性，在非磁性材料表层镀一薄层材料对试验的整个结果影响很小，可以忽略不计。

2、本发明的试验可靠性强。振源是电磁铁，磁场力作为激振力，试件与振源之间是非接触式的，而不是接触式的，这样就没有改变试件的原有结构，结构的边界条件也没有改变，所以试件结构的完整性好；此外，试件与振源之间的距离调节是通过自锁丝杆来实现的，精确可靠；再者，由于该丝杆具有自锁功能，故试件与振源之间的距离不会因为试件的振动和输出轴的旋转而发生改变；所以试验的结果稳定可靠。

3、本发明的调控性强。首先，试件的转速可以根据试件实际工作情况的需要而随时改变，试件转速的调节范围非常宽，可以实现试件在不同转速下的旋转，故试件的转速调节不仅便捷而且精确可靠。其次，通过两个途径调控激振力。其一，间接调控：通过调控试件与振源之间的距离来间接实现的。具体地，是通过丝杆来调节的，因为丝杆是精密传动器件，对距离的调节精确性好；自锁丝杆通过对距离的调控，间接地调控了试件受到的激振力。其二，直接调控：通过计算机、电流控制器、激振器来实现的，通过控制通入电磁铁中交变电流的大小而产生交变的磁场，从而产生交变的激振力；此外，激振力的可调频范围非常大，可以使试件在很宽的激振频率内产生相应的激振效果；同时也可以快速地使试件达到共振疲劳的状态，这有利于加速试件疲劳，并缩短了研究试件振动疲劳过程的试验时间。

4、本发明的测振结构巧妙。不仅设计了激振装置，而且还设计了旋转试件的振动测试装置，涉及的测试装置是电磁压电耦合测振传感器，实现了对旋转类试件“无线测振”。电磁铁在法兰螺栓上发生上下运动，电磁铁相对于弹性薄钢片的距离发生改变，使得电磁铁与钢片间的磁力随之发生变化，从而使弹性薄钢片发生变形，进而粘合在弹性薄钢片上的压电陶瓷片也随之发生变形，由于压电效应，压电陶瓷片会产生变化的电流，再经过压电处理器、电流放大器和计算机间接地测出试件的振动速度、振动加速度、振动位移等相关的振动特性参数；解决了对旋转类试件采用有线传感器测振而将增加试验装置复杂性的问题，从而实现了对旋转类试件“无线测振”。此外，振动测试装置中的电磁铁与振源的电磁铁是共用的，即本发明所涉及的电磁铁既用于激振又用于测振，充当了两种结构中的功能，这使激振结构和测振结构更加紧凑，也更便于对激振和测振结构的相关调控。

5、本发明的实验模拟性强。本发明涉及的激振装置可以非常逼真地模拟旋转类试件在实际工作环境中的振动状态。激振装置可以使试件在360°范围内的同一时刻受到等强度的磁场力作用，磁场力是大小和方向都可以随时间变化的交变力。而且激振装置可以给试件提供在相同转速不同激振力、相同激振力不同转速、不同转速不同激振力三种条件下的振动疲劳状态，这非常便于做三个相同的试件在三种不同振动条件下的对比疲劳试验，从而可以更加全面地研究试件在发生振动疲劳过程中的振动特性。通过所提供的振动测试装置，可以时刻地监测试件的激振力、振动位移、振动速度、振动加速度等相关的振动特性参数。此外，试件的振动过程和测试过程是通过计算机来监测与调控的，这样就可以实时地调控与监测试件从开始振动、再到发生共振、再到产生裂纹扩展和最后发生断裂等一系列的振动疲劳失效过程。

6、本发明的激振装置中增加了减振装置，即减振器。增加减振器的目的是：尽可能地将试件受到的振动与输出轴隔离掉，使输出轴不因试件的振动而发生振动，即避开输出轴的共振频率；同时在绝缘夹具中增加了减振弹簧Ⅲ，以确保试件在发生振动疲劳过程时绝缘夹具、减振器等激振器部件都不会发生共振，从而确保试验的正常进行。

7、本发明的激振装置中还增加了动平衡装置。因为试件是在旋转状态下发生振动时，若不在试件关于输出轴轴线的对称部位安装平衡件，则试件会发生动不平衡问题，尤其是试件在高速下旋转时，其发生的动不平衡现象会非常明显，这样会大大地影响试验的结果甚至使试验无法进行，所以需要增加动平衡装置。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图(未显示电源、计算机、电流放大器及控制器)。

图2为减振绝缘夹具的结构示意图。

图3为减振器的结构示意图。

图4为减振器结构的拆分示意图。

图5为减振器、减振绝缘夹具、动平衡装置、试件四者的连接示意图。

图6为激振器的结构示意图。

图7为电磁压电耦合测振传感器结构的拆分示意图。

图8为激振器、电磁压电耦合测振传感器、电磁铁支撑架三者连接示意图。

图9为电磁铁夹具的俯视图。

图10为图9中A-A处剖视图。

图11为电磁铁夹具的弹性连接结构的示意图。

图12为激振器的原理示意图。

图13为激振器的受力示意图。

图14为试件的受力示意图。

图15为本发明的原理示意图。

图中：试件1、减振绝缘夹具2、减振器3、动平衡装置4、自锁丝杆5、输出轴6、激振器7、电磁压电耦合测振传感器8、激振器夹紧平台9、夹紧平台螺栓孔901、电磁压电耦合测振传感器夹紧平台10、电磁铁支撑架11、出线孔12、电磁铁支撑夹具13、试验台14、从动齿轮15、主动齿轮16、从动轴1701、主动轴1702、联轴器18、无级调速交流电机19、电机夹具20、电机出线孔21、下绝缘夹板22、上绝缘夹板23、螺栓24、减振弹簧Ⅲ25、夹具接头26、垫片27、螺母28、下弹性钢圈29、上弹性钢圈30、丝杆接头31、圆台3101、减振弹簧Ⅰ32、带垫螺母33、钢圈连接器34、法兰螺栓Ⅰ35、螺纹连接孔36、法兰螺栓Ⅱ37、电磁铁38、电磁铁夹具39、法兰螺栓Ⅲ40、空心孔41、电磁铁夹具孔42、阶梯孔Ⅰ4201、阶梯孔Ⅱ4202、带垫螺母43、弹性薄钢片44、压电陶瓷片45、压电处理器46、压缩弹簧Ⅱ47、法兰螺栓Ⅳ48、法兰螺栓Ⅳ的光滑轴段4801、法兰螺栓Ⅳ的螺纹轴段4802、压力传感器49、螺栓50。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

本实施例针对旋转类试件。

一种精确可控非接触试件旋转式磁场疲劳激振与测振装置，包括减振绝缘夹具2、减振器3、动平衡装置4、激振器7、电磁压电耦合测振传感器8、试验台14、传动装置和精确调控装置。

参见图1，所述试验台14的台面上安装电磁铁支撑架11。所述电磁铁支撑架11呈U型，它的底板中心设置有通孔，它的两侧板内壁设置有激振器夹紧平台9和电磁压电耦合测振传感器夹紧平台10。

首先参见图6至图11，电磁压电耦合测振传感器装置部分：

所述激振器7的主体部分为一个空心的圆柱型铁芯的电磁铁38。所述电磁铁38由空心圆柱铁芯和漆包线构成，圆柱铁芯有空心孔41，该空心孔41用于电磁铁38与输出轴6进行同轴配合。

所述电磁压电耦合测振传感器8包括弹性薄钢片44、压电陶瓷片45、压电处理器46、压缩弹簧Ⅱ47和压力传感器49。所述压电陶瓷片45通过强力粘接剂粘接在弹性薄钢片44的下表面。所述压电处理器46连接在压电陶瓷片45的下表面。所述弹性薄钢片44、压电陶瓷片45和压电处理器46各自的中心都具有竖向贯穿的通孔。

参见图9至图11，所述激振器7的电磁铁38通过法兰螺栓Ⅲ40和带垫螺母43固定装夹在电磁铁夹具39上。其中电磁铁38用于接通电源的导线从出线孔12中穿出。所述电磁铁夹具孔42(该夹具孔是光孔，不是螺纹孔)内放置刚性较小的压缩弹簧Ⅱ47。所述电磁铁夹具孔42由阶梯孔Ⅰ4201和阶梯孔Ⅱ4202两段组成，其中阶梯孔Ⅰ4201的半径大于阶梯孔Ⅱ4202的半径。

法兰螺栓Ⅳ48先穿套环形的压力传感器49，再依次穿过压缩弹簧Ⅱ47、电磁铁夹具孔42和激振器夹紧平台9的夹紧平台螺栓孔901，最后法兰螺栓Ⅳ的螺纹轴段4802固接在夹紧平台螺栓孔901内。所述压缩弹簧Ⅱ47通过预压力处于微压状态，下端与阶梯孔Ⅰ4201台阶面始终接触，上端与压力传感器49也始终接触。所述压力传感器49的上表面紧贴法兰螺栓Ⅳ48的螺栓头。压缩弹簧Ⅱ47与电磁铁夹具39一起可以在法兰螺栓Ⅳ的光滑轴段4801上上下运动。而电磁铁夹具39与电磁铁38相连接，从而实现电磁铁38可以和压缩弹簧Ⅱ47一起在法兰螺栓Ⅳ的光滑轴段4801上上下运动。

其中压缩弹簧Ⅱ47的外径要略小于阶梯孔Ⅰ4201的直径，以便压缩弹簧Ⅱ47与孔壁无摩擦接触，从而实现弹簧自由地上下游动；同理，压缩弹簧Ⅱ47的内径要略大于法兰螺栓Ⅳ的光滑段4801的直径，以便压缩弹簧Ⅱ47能够在法兰螺栓Ⅳ48上无摩擦接触，从而实现弹簧自由地上下游动。

所述弹性薄钢片44位于激振器7的下方。所述弹性薄钢片44通过螺栓50固定在电磁压电耦合测振传感器夹紧平台10上。所述激振器7、弹性薄钢片44、压电陶瓷片45和压电处理器46各自中心的通孔的轴线位于同一直线上，供传动装置的输出轴6自下而上地从激振器7的上端穿出。

上述元件的连接构成了电磁压电耦合测振传感器装置。其中，电磁压电耦合传感器8和激振器7共用一块电磁铁38，这不仅使激振结构和测振结构更加紧凑，也便于计算机对激振和测振结构的相关调控。

参见图1，传动部分：

所述传动装置还包括从动齿轮15、主动齿轮16、从动轴1701、主动轴1702、联轴器18和无级调速交流电机19。所述无级调速交流电机19的输出端通过联轴器18与主动轴1702连接。所述主动轴1702上安装主动齿轮16。所述从动轴1701和主动轴1702在轴线方向有对应的轴向定位，以防止齿轮发生轴向窜动，从而实现了主动轴1702与从动轴1701之间的平稳传动。所述从动轴1701上安装从动齿轮15。所述从动齿轮15与主动齿轮16相啮合。所述从动轴1701与输出轴6相连。选择齿轮传动是因为齿轮传动平稳，传动比精确，除了能够满足低中转速外，还能满足高转速的要求，所以选择齿轮传动。无级调速交流电机19通过电机夹具20固定在试验台14上，而无级调速交流电机19的转速是通过计算机来调控的，从而最终实现了试件1的旋转运动，非常逼真地模拟了试件1在实际工作转速中的旋转情况；同时也实现了计算机对试件转速进行精确且便捷调控的目的。其中，试验台14上的电机出线孔21是用于电机控制线的进出。

所述输出轴6上端有一段空心部分，其内部刻有内螺纹，用于与自锁丝杆5的丝轴螺纹连接，丝轴通过内螺纹孔进行精密地传动，从而实现了精确调控试件在输出轴6轴线方向上的位移，即实现了试件1与激振器7之间距离的调节。此外，由于自锁丝杆5具有自锁功能且其接头部分固接于输出轴6上，故自锁丝杆5会随输出轴6一起转动。所述自锁丝杆5的上端安装减振器3。

参见图2至图5，试件、绝缘夹具、动平衡装置及减振器构成的夹紧与减振装置部分：

所述减振器3上安装减振绝缘夹具2。所述减振绝缘夹具2上具有一个圆柱状的夹具接头26。所述夹具接头26上具有一段用于连接减振器3的螺纹。

参见图3和图4，所述减振器3包括上弹性钢圈30、下弹性钢圈29、钢圈连接器34、丝杆接头31和减振弹簧Ⅰ32。所述丝杆接头31呈圆柱状，它的轴线上开有一个与自锁丝杆5配合的螺纹孔。所述丝杆接头31的周向侧面上具有四个凸起的圆台3101。这四个圆台3101在正交方向上两两相对布置。每个圆台3101的轴线上开有一个螺纹孔，该螺纹孔径向贯穿丝杆接头31的侧壁。

所述上弹性钢圈30开有四个径向贯穿的螺纹孔，这四个螺纹孔在正交方向上两两相对。所述下弹性钢圈29开有八个轴向贯穿的阶梯孔，它的侧壁上还开有两个与夹具接头26相配合且对称布置的螺纹连接孔36。所述钢圈连接器34由底板和耳座板组成。所述耳座板竖向连接在底板上，其中耳座板上开有横向贯穿的通孔，底板上开有两个竖向贯穿的通孔。

所述丝杆接头31位于上弹性钢圈30的内腔中，其上的四个圆台3101与上弹性钢圈30上的四个螺纹孔一一对应。所述上弹性钢圈30的外侧连接四个钢圈连接器34。法兰螺栓Ⅰ35依次穿过钢圈连接器34的耳座板上的通孔、上弹性钢圈30的螺纹孔和圆台3101轴线上的螺纹孔，将它们固连在一起。

所述下弹性钢圈29通过钢圈连接器34连接在上弹性钢圈30的下方。所述下弹性钢圈29的阶梯孔内放置减振弹簧Ⅰ32。法兰螺栓Ⅱ37依次穿过钢圈连接器34的底板上的通孔、减振弹簧Ⅰ32和下弹性钢圈29上的阶梯孔，将它们固连在一起。所述减振弹簧Ⅰ32的下端与阶梯孔的台阶面接触，上端与钢圈连接器34的(底板)下表面接触。

两个减振绝缘夹具2对称安装在下弹性钢圈29的两侧。其中一个减振绝缘夹具2上装夹试件1，另一个减振绝缘夹具2上装夹动平衡装置4。其中减振绝缘夹具2包括下绝缘夹板22、上绝缘夹板23和减振弹簧Ⅲ25。所述夹具接头26连接在下绝缘夹板22的侧面。所述减振弹簧Ⅲ25放置在试件1的螺栓孔内。螺栓24依次穿过上绝缘夹板23、减振弹簧Ⅲ25、试件1和下绝缘夹板22，将试件1装夹在上、下绝缘板之间。其中减振弹簧Ⅲ25呈压缩状态。其中使用绝缘夹板是为了防止试件1构成回路而产生感应电流，影响试验的结果；试件1产生的振动会通过夹具往外传递，会影响试验的结果，故使用减振弹簧Ⅲ25来减弱振动传递的程度。

所述减振器3的结构简单、对称且设计巧妙，所使用的八个减振弹簧Ⅰ32对称地将下弹性钢圈29和上弹性钢圈30间接地接触，这样就很好地达到了减振、隔振的效果；此外，丝杆接头31的轴向处有螺纹孔，其用于与自锁丝杆5的丝轴连接。在下弹性钢圈29的左右两端处有螺纹连接孔36，其中，右端螺纹连接孔36用于与夹具接头26及对应的螺母垫片进行连接；左端螺纹连接孔36用于与动平衡装置4进行连接，动平衡装置用于平衡掉由于旋转试件1在试验过程中引起的动不平衡。这样试件、绝缘夹具、减振器及动平衡装置四者就装配了在一起，其结构示意图见图5。

本实施例中空心孔41的半径略大于减振绝缘夹具2到输出轴6中心线的距离，这样的目的在于：减弱振源对减振器3和减振绝缘夹具2的激振程度，因为振源的激振对象是试件1。

所述精确调控装置通过计算机的分析和处理，用于调节试件1与激振器7的距离、输出轴6的转速和激振器7的电流。

具体参见图12，电磁铁38向试件1提供交变的激振力：交变电流通入电磁铁38中产生交变的磁场，在磁场力的作用下磁场与试件1之间会发生相互作用，即试件1受到了激振力的作用；激振力的大小、方向和变化频率都可以随时间发生变化，激振力是由电流控制器控制的，而电流控制器与计算机接通，计算机控制电流控制器，从而实现旋转试件在360°方向上受到交变激振力的作用，这样就逼真地模拟了试件在旋转过程中的振动过程。

测试原理：

本发明的具体测试原理是这样的，结合图13和图14，在向激振器通入电流进行试验前，压缩弹簧Ⅱ47通过预压力处于微压状态，其预压力H₀(t)可以通过压力传感器49测出，且激振器的质量m是可以已知的。在试验后，压缩弹簧Ⅱ47进一步发生压缩变形，压缩弹簧Ⅱ47的上端与压力传感器49始终接触、下端与阶梯孔Ⅰ4201台阶面也始终接触，压力传感器49可以测出压缩弹簧Ⅱ47对压力传感器49的压力H(t)，由于力的作用是相互的，所以压缩弹簧Ⅱ47对激振器7的压力I(t)大小与压力H(t)的大小相等，方向与压力H(t)的方向相反，其关系式如(1)所示。由于压缩弹簧Ⅱ47在试验前就处于微压状态，产生了预压力H₀(t)；则压缩弹簧Ⅱ47在试验后进一步发生变形而产生的弹力F(t)的大小等于I(t)与H₀(t)的大小之差，方向竖直向下。

激振器7在法兰螺栓Ⅳ48的光滑轴段4801上发生上下运动，电磁铁38相对于弹性薄钢片44的距离发生了改变，使得激振器7与弹性薄钢片44间的磁力随之发生变化，从而使弹性薄钢片44发生变形，进而粘合在钢片上的压电陶瓷片45也随之发生变形，由于压电效应，压电陶瓷片45会产生变化的电流，电流经过压电处理器46、电流放大器将信号传递到计算机，从而测出激振器的振动加速度a(t)。激振器7的受力模型可以进行合理地简化，激振器7的受力示意图如图13所示。

激振器7受到三个力：压缩弹簧Ⅱ47在试验后进一步发生变形而产生的弹力F(t)、自身重力G和力f(t)。因为激振器7的质量m已知，预压力H₀(t)可以通过压力传感器49测出，压缩弹簧Ⅱ47对压力传感器49的压力也可以通过压力传感器49测出，压缩弹簧Ⅱ47对激振器7的压力I(t)可以由关系式(1)求出；压缩弹簧Ⅱ47在试验后进一步发生变形而产生的弹力F(t)可以由公式(2)求出，自身重力G可以由公式计算出，激振器的振动加速度a(t)可以由电磁压电耦合测振传感器8测出；再根据牛顿第二定律，并利用关系式(3)，则可以求出激振器7随时间t变化而受到的力f(t)。其相关的关系式如下：

I(t)＝-H(t) (1)

F(t)＝I(t)-H₀(t) (2)

f(t)-F(t)-G＝ma(t) (3)

将质量m、重力加速度g、测得的振动加速度a(t)、预压力H₀(t)、压缩弹簧Ⅱ47对压力传感器49的压力H(t)、压缩弹簧Ⅱ47对激振器7的压力I(t)和关系式(1)、(2)、(3)输入计算机，通过程序计算出力f(t)的大小方向，并将数据进行保存。由于激振器与试件之间是通过激振力相互作用的，根据牛顿第三定律，可知试件受到的激振力就是力f(t)。然后，将试件简化成悬臂梁，试件受力示意图如图14所示；根据悬臂梁在周期激励下的受迫振动理论知识，牛顿第二定律，以及关系式(3)、(4)，求出试件的振动位移u(t)，关系式(4)如下：

其中p为试件的质量密度，A为试件的横截面积，E为试件的材料弹性模量，I为试件在中性轴x上的惯性矩，f(t)为试件的激振力，u(t)为试件的振动位移。其中由关系式(1)、(2)、(3)、(4)可知：除振动位移u(t)外，其他的参数均是已知或者可以直接求得，所以将相关参数和相应的关系式输入计算机，使用MATLAB数学软件，将试件的振动位移u(t)求出，然后利用微分法，分别对试件的振动位移u(t)求一次导数和二次导数，即可得到试件在任意时刻的振动速度v(t)和振动加速度a(t)。这样，经过以上步骤就可以精确地测试出试件在任意时刻的激振力、振动位移、振动速度、振动加速度等振动疲劳特性参数，并且通过计算机可以分别得到激振力、振动位移、振动速度、振动加速度与时间的疲劳特性曲线，进而可以时刻监测旋转试件从正常到发生疲劳失效的一系列的连续振动状态，从而实现了对旋转式试件的全过程振动疲劳特性研究。

实施例2：

本实施例针对静止类试件。

静止类试件的实施方式及原理与旋转类试件的相似。具体地，在试件静止状态时，本发明的夹具、减振器、自锁丝杆调节装置以及激振器的结构和工作原理和旋转状态下的一样，振源的调控装置和原理也一样；其不同点就是：切断无级调速交流电机的电源，使试件在静止状态下进行相关试验；并且试验的对象比旋转状态时的更广；此外，测振装置可以不一样，其测振装置除了采用电磁压电耦合传感器外，还可以采用有线传感器测振。

Claims (5)

1.一种精确可控非接触试件旋转式磁场疲劳激振与测振装置，其特征在于：包括减振绝缘夹具（2）、减振器（3）、动平衡装置（4）、激振器（7）、电磁压电耦合测振传感器（8）、试验台（14）、传动装置和精确调控装置；

所述试验台（14）的台面上安装电磁铁支撑架（11）；所述电磁铁支撑架（11）上设置有激振器夹紧平台（9）和电磁压电耦合测振传感器夹紧平台（10）；

所述激振器（7）包括一个空心的圆柱型铁芯的电磁铁；所述电磁压电耦合测振传感器（8）包括弹性薄钢片（44）、压电陶瓷片（45）、压电处理器（46）、压缩弹簧Ⅱ（47）和压力传感器（49）；所述压电陶瓷片（45）粘接在弹性薄钢片（44）的下表面；所述压电处理器（46）连接在压电陶瓷片（45）的下表面；所述弹性薄钢片（44）、压电陶瓷片（45）和压电处理器（46）各自的中心都具有竖向贯穿的通孔；

所述激振器（7）的电磁铁装夹在电磁铁夹具（39）上；所述电磁铁夹具（39）上的电磁铁夹具孔（42）内放置压缩弹簧Ⅱ（47）；法兰螺栓Ⅳ（48）先穿套环形的压力传感器（49），再依次穿过压缩弹簧Ⅱ（47）、电磁铁夹具孔（42）和激振器夹紧平台（9）的夹紧平台螺栓孔（901），最后法兰螺栓Ⅳ（48）的螺纹轴段（4802）固接在夹紧平台螺栓孔（901）内；所述压缩弹簧Ⅱ（47）通过预压力处于微压状态，下端与阶梯孔Ⅰ（4201）台阶面始终接触，上端与压力传感器（49）也始终接触；

所述弹性薄钢片（44）位于激振器（7）的下方；所述弹性薄钢片（44）通过螺栓固定在电磁压电耦合测振传感器夹紧平台（10）上；所述激振器（7）、弹性薄钢片（44）、压电陶瓷片（45）和压电处理器（46）各自中心的通孔的轴线位于同一直线上，供传动装置的输出轴（6）自下而上地从激振器（7）的上端穿出；

所述输出轴（6）的上端连接自锁丝杆（5）；所述自锁丝杆（5）的上端安装减振器（3）；所述减振器（3）上安装减振绝缘夹具（2）；所述减振绝缘夹具（2）上具有一个圆柱状的夹具接头（26）；所述夹具接头（26）上具有一段用于连接减振器（3）的螺纹；

所述减振器（3）包括上弹性钢圈（30）、下弹性钢圈（29）、钢圈连接器（34）、丝杆接头（31）和减振弹簧Ⅰ（32）；

所述丝杆接头（31）呈圆柱状，它的轴线上开有一个与自锁丝杆（5）配合的螺纹孔；所述丝杆接头（31）的周向侧面上具有四个凸起的圆台（3101）；这四个圆台（3101）在正交方向上两两相对布置；每个圆台（3101）的轴线上开有一个螺纹孔，该螺纹孔径向贯穿丝杆接头（31）的侧壁；

所述上弹性钢圈（30）开有四个径向贯穿的螺纹孔，这四个螺纹孔在正交方向上两两相对；所述下弹性钢圈（29）开有若干轴向贯穿的阶梯孔，它的侧壁上还开有两个与夹具接头（26）相配合且对称布置的螺纹连接孔（36）；所述钢圈连接器（34）由底板和耳座板组成；所述耳座板竖向连接在底板上，其中耳座板上开有横向贯穿的通孔，底板上开有两个竖向贯穿的通孔；

所述丝杆接头（31）位于上弹性钢圈（30）的内腔中，其上的四个圆台（3101）与上弹性钢圈（30）上的四个螺纹孔一一对应；所述上弹性钢圈（30）的外侧连接四个钢圈连接器（34）；法兰螺栓Ⅰ（35）依次穿过钢圈连接器（34）的耳座板上的通孔、上弹性钢圈（30）的螺纹孔和圆台（3101）轴线上的螺纹孔，将它们固连在一起；

所述下弹性钢圈（29）通过钢圈连接器（34）连接在上弹性钢圈（30）的下方；所述下弹性钢圈（29）的阶梯孔内放置减振弹簧Ⅰ（32）；法兰螺栓Ⅱ（37）依次穿过钢圈连接器（34）的底板上的通孔、减振弹簧Ⅰ（32）和下弹性钢圈（29）上的阶梯孔，将它们固连在一起；所述减振弹簧Ⅰ（32）的下端与阶梯孔的台阶面接触，上端与钢圈连接器（34）的下表面接触；

两个减振绝缘夹具（2）对称安装在下弹性钢圈（29）的两侧；其中一个减振绝缘夹具（2）上装夹试件（1），另一个减振绝缘夹具（2）上装夹动平衡装置（4）；

所述精确调控装置通过计算机的分析和处理，用于调节试件（1）与激振器（7）的距离、输出轴（6）的转速和激振器（7）的电流。

2.根据权利要求1所述的一种精确可控非接触试件旋转式磁场疲劳激振与测振装置，其特征在于：所述减振绝缘夹具（2）包括下绝缘夹板（22）、上绝缘夹板（23）和减振弹簧Ⅲ（25）；所述夹具接头（26）连接下绝缘夹板（22）的侧面；所述减振弹簧Ⅲ（25）放置在试件（1）的螺栓孔内；螺栓依次穿过上绝缘夹板（23）、减振弹簧Ⅲ（25）、试件（1）和下绝缘夹板（22），将试件（1）装夹在上、下绝缘板之间。

3.根据权利要求1所述的一种精确可控非接触试件旋转式磁场疲劳激振与测振装置，其特征在于：所述传动装置还包括从动齿轮（15）、主动齿轮（16）、从动轴（1701）、主动轴（1702）、联轴器（18）和无级调速交流电机（19）；所述无级调速交流电机（19）的输出端通过联轴器（18）与主动轴（1702）连接；所述主动轴（1702）上安装主动齿轮（16）；所述从动轴（1701）上安装从动齿轮（15）；所述从动齿轮（15）与主动齿轮（16）相啮合；所述从动轴（1701）与输出轴（6）相连。

4.根据权利要求1所述的一种精确可控非接触试件旋转式磁场疲劳激振与测振装置，其特征在于：所述动平衡装置（4）包括非磁性材料的平衡件，这个平衡件与试件（1）关于输出轴（6）的轴线对称；所述平衡件的材料、大小、形状、夹紧方式均与试件（1）保持一致。

5.根据权利要求1所述的一种精确可控非接触试件旋转式磁场疲劳激振与测振装置，其特征在于：所述激振器（7）的铁芯的外径大于试件（1）的长度，内径大于输出轴（6）的直径。